Τροποποίηση εμπορικών και εργαστηριακά παραγόμενων ινών άνθρακα με ηλεκτροχημική επεξεργασία μέσω κυκλικής βολταμετρίας και χαρακτηρισ...

Abstract

The scope of the doctoral thesis is the surface modification of commercial and laboratory-produced carbon fibres with electrochemical treatment by cyclic voltammetry and their characterization and the correlation of the parameters / conditions with their structure. To achieve this goal, commercial carbon fibres are used as working electrodes in a suitable electrochemical cell and they are surface modified by cyclic voltammetry, choosing various redox conditions based on the concentration of electrolyte solution, the sweep scan range, the sweep scan rate and the number of treatment cycles and subsequently they are characterized. Since commercial carbon fibres bear oxygen-containing groups in their structure by unknown origin of surface modification from the industry, they are not chemically inert and therefore they are subjected to pyrolysis anew and afterwards they are electrochemically treated and characterized. In addition, laboratory-produced carbon fibres, after appropriate batch processing thermal oxidation of commercial acrylic fibres and their carbonization, they are surface modified and characterized. The appropriate selection of parameters of the electrochemical treatment of carbon fibres is very important for their further application in practice. When carbon fibres are used as electrodes or it is desirable to enhance their catalytic behaviour by doping with metal ions, the presence of intercalation compounds for the formation of graphitic oxides and of the partially reduced graphitic oxides in carbon structure is needed, which increase its ion exchange properties, especially in its bulk. When carbon fibres are used as electrodes in electrochemical double-layer capacitors / EDLC (also known as supercapacitors, ultracapacitors), apart from their activation, the presence of an increased number of surface groups of carbonyl or quinone type is desirable as well. When carbon fibres are used as reinforcing agents in composite materials, the formation of proper and sufficient fibre surface oxides and also the increase of their surface roughness are necessary, in order to establish better adhesion between fibre-matrix. Additionally, when they are used as adsorption agents (after their activation) the presence of a vast variety of characteristic groups (acidic, basic) is necessary, located on the outer surface edge sites of the basal planes of carbon, since they constitute active surface sites for adsorption of substances.

Η περίληψη πρέπει να περιλαμβάνει τον στόχο, τη μεθοδολογία και τα αποτελέσματα - συμπεράσματα της διατριβής.

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η τροποποίηση εμπορικών και εργαστηριακά παραγόμενων ινών άνθρακα με ηλεκτροχημική επεξεργασία μέσω κυκλικής βολταμετρίας και ο χαρακτηρισμός τους και η συσχέτιση των παραμέτρων/συνθηκών της τροποποίησης με τη δομή τους. Για την επίτευξη αυτού του στόχου, εμπορικές ίνες άνθρακα χρησιμοποιούνται ως ηλεκτρόδια εργασίας σε κατάλληλο ηλεκτροχημικό κελί και τροποποιούνται επιφανειακά μέσω κυκλικής βολταμετρίας, επιλέγοντας διάφορες οξειδοαναγωγικές συνθήκες με βάση τη συγκέντρωση του ηλεκτρολυτικού διαλύματος, το εύρος της περιοχής σάρωσης δυναμικού, την ταχύτητα σάρωσης και τον αριθμό των κύκλων επεξεργασίας και ακολούθως χαρακτηρίζονται. Επειδή οι εμπορικές ίνες άνθρακα φέρουν εξαρχής οξυγονούχες ομάδες από άγνωστης προέλευσης επιφανειακή επεξεργασία από τη βιομηχανία, δεν είναι χημικά αδρανείς και επομένως πυρολύονται εκ νέου και υποβάλλονται σε οξειδοαναγωγική επεξεργασία. Επιπλέον, εργαστηριακά παραγόμενες ίνες άνθρακα, μετά από κατάλληλη θερμική οξειδωτική επεξεργασία διαλείποντος έργου εμπορικών ακρυλικών ινών και ανθρακοποίησή τους, τροποποιούνται επιφανειακά. Η κατάλληλη επιλογή των παραμέτρων της ηλεκτροχημικής επεξεργασίας των ινών άνθρακα παίζει πολύ σημαντικό ρόλο για την περαιτέρω εφαρμογή τους στην πράξη. Όταν οι ίνες άνθρακα χρησιμοποιούνται ως ηλεκτρόδια ή είναι επιθυμητή η αύξηση της καταλυτικής συμπεριφοράς τους με ντοπάρισμα χρησιμοποιώντας ιόντα μετάλλων είναι επιθυμητή η ύπαρξη εμφωλιασμένων ενώσεων για τη δημιουργία γραφιτικών οξειδίων και μερικά αναγόμενων γραφιτικών οξειδίων στη δομή του άνθρακα που τον καθιστά με πολύ καλές ιοντοεναλλακτικές ιδιότητες, κυρίως στη μάζα του. Όταν οι ίνες άνθρακα χρησιμοποιούνται ως ηλεκτρόδια σε ηλεκτροχημικούς πυκνωτές με υψηλή χωρητικότητα διπλοστοιβάδας είναι επιθυμητή η ύπαρξη αυξημένου αριθμού επιφανειακών ομάδων τύπου καρβονυλίου ή κινόνης. Όταν οι ίνες άνθρακα χρησιμοποιούνται ως μέσα ενίσχυσης στα σύνθετα υλικά είναι απαραίτητος ο σχηματισμός κατάλληλων και αρκετών επιφανειακών οξυγονούχων ομάδων, καθώς και η αύξηση της επιφανειακής τραχύτητάς τους, ούτως ώστε να επιτευχθεί καλύτερη πρόσφυση των ινών στη μήτρα του συνθέτου. Επίσης, όταν χρησιμοποιούνται ως προσροφητικά μέσα, για να ενισχυθούν οι προσροφητικές ιδιότητές τους είναι απαραίτητη η ύπαρξη πληθώρας και ποικιλίας χαρακτηριστικών ομάδων στην εξωτερική επιφάνεια σε ακραίες θέσεις των βασικών επιπέδων του άνθρακα, καθόσον οι θέσεις αυτές αποτελούν ενεργές επιφανειακές θέσεις για προσρόφηση ουσιών.